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Qu'effectue une horloge biologique simple faire tic tac ?

Une équipe de recherche interdisciplinaire à l'université de Vanderbilt a analysé l'horloge biologique connue la plus simple et a figuré à l'extérieur ce qui l'effectue faire tic tac.

Les résultats de leur analyse sont publiés dans l'édition du 27 mars de la bibliothèque publique de tourillon de la biologie de la Science.

Les horloges biologiques sont les stimulateurs microscopiques. Elles sont trouvées dans tout de l'écume d'étang aux êtres humains et semblent aider à dispenser un choix vertigineux de procédés biochimiques. Un voyageur remarque le décalage horaire quand son horloge interne est hors de la synchronisation avec l'environnement. La dépression saisonnière, quelques types de dépression, les troubles du sommeil et les problèmes réglant sur des changements de travail fait un cycle tous peuvent se produire quand l'horloge biologique d'une personne agit. Les études récentes ont même trouvé des tiges entre ces pendules moléculaires et cancer.

En 2005, un groupe de chercheurs japonais a étonné la communauté scientifique en montrant à cela les trois protéines ce qui composent l'horloge biologique dans les algues vertes bleues détermineront un cycle de 24 heures sur leurs propres moyens une fois mis dans une éprouvette avec de l'adénosine triphosphate (ATP), le produit chimique ce actionnent des réactions biologiques.

« Qui était une grande surprise, » dit Karl Johnson, professeur des sciences biologiques qui ont dirigé l'étude neuve. « Nous tous avons pensé que le système était un contrôle par retour de l'information beaucoup plus compliqué et plus exigé de la cellule ? machines génétiques de s afin de fonctionner. »

L'annonce a incité Johnson, qui avait fonctionné le long des lignes assimilées, pour rassembler une équipe interdisciplinaire pour figurer à l'extérieur comment ces trois protéines peuvent déterminer et mettre à jour un cycle régulier et de 24 heures. Lui et son collaborateur à long terme, professeur des biochimies Martin Egli, ont recruté un groupe de chercheurs qui sont des experts en matière de microscopie électronique ? Professeur agrégé Phoebe Stewart et chargé de recherches Dewight Williams ? et biophysique ? Professeur Hassane Mchaourab ? tous du service de la physiologie moléculaire. Repère Byrne, un chargé de recherches de Biomathematician en pharmacologie, arrondie à l'extérieur le groupe.

Bien que l'horloge biologique se compose de seulement trois parts fondamentales ? protéines qui ont été marquées KaiA, KaiB et KaiC ? quand ils les ont commencés analyser ce qui avait lieu dans l'éprouvette ont découvert beaucoup plus allaient sur qu'ils avaient imaginé.

« La partie la plus fraîche est qu'une machine biologique simple peut faire une chose stupéfiante telle que maintenant le temps, » dit Williams. « C'est le puzzle biologique le plus fascinant que j'ai trouvé par hasard dans ma carrière jusqu'ici. »

La question fondamentale que les chercheurs présentés pour comprendre est comment ces molécules, qui subissent des réactions à une deuxième-par-deuxième et la fréquence de minute-par-minute, peut supporter un cycle de 24 heures.

La plus grande dent dans le bioclock est la protéine KaiC. C'est une grande, gonflée molécule assemblée à partir de six composantes identiques. Le cycle diurne prend la forme de l'augmentation et de la diminution régulières du nombre de groupes de phosphate fixés aux molécules de KaiC. La pièce d'assemblage et le détachement des groupes de phosphate ? une phosphorylation et une dephosphorylation appelées de processus ? est une méthode classique de règlement de protéine. Quand KaiC est phosphorylé il agit l'un sur l'autre dans différentes voies avec d'autres protéines dans la cellule qu'il fait quand il dephosphorylated. Cela permet au bioclock de tourner des processus cellulaires variés en marche et en arrêt.

Basé sur la recherche précédente, Johnson et ses collègues ont eu de l'analyse dans le rôle des deux plus petites protéines. Ils ont su que quand KaiA grippe à KaiC le régime de phosphorylation augmente, en le facilitant pour le phosphate groupe pour gripper au hexamer ou à le rendre plus difficile pour qu'ils se brisent loin. KaiB, en revanche, doesn ? grippage de t à KaiC jusqu'à ce qu'il soit hautement phosphorylé. Mais, quand il fait, KaiB contrecarre l'influence de KaiA.

Au départ, les chercheurs ont envisagé un procédé relativement droit : KaiA gripperait avec KaiC et la phosphorylation augmenterait graduellement pendant 12 heures. Alors quelque chose déclencherait KaiB pour commencer à coller par ces composés et la phosphorylation diminuerait graduellement pendant 12 heures. Cependant, Johnson et Egli ? les efforts de s pour épurer et cristalliser les composés de KaiAC et de KaiABC ainsi eux ont pu déterminer leur structure utilisant la cristallographie de rayon X à plusieurs reprises défaillie.

Il wasn ? t jusqu'à eux ont commencé à mettre le mélange sous le microscope électronique de boîte de vitesses qu'ils ont réalisé la raison de cet échec. « Il s'avère que les composés ne forment pas une structure statique, qui est pourquoi nous ne pourrions pas les cristalliser, » dit Stewart. « Il doesn ? t vont du composé un au composé deux trois heures plus tard et puis trois heures plus tard au prochain composé. Au lieu de cela, vous avez des mélanges de tous les différents composés à toutes les remarques de temps, juste dans différents rapports. » Les chercheurs ont divisé le cycle de 24 heures en sept phases égales : Commençant au plus à basse altitude de la phosphorylation de KaiC, en quelques phases Up1 et Up2 le niveau de phosphorylation augmente jusqu'à ce qu'il atteigne un niveau maximal. Après cette phase de « P », les hexamers commencent à dephosphorylating par les phases Down1, Down2 et Down3, atteignant son plus à basse altitude pendant la phase de « T » (T pour la cuvette) et alors elle commence plus de.

L'analyse a également trouvé ce, en plus de KaiA, KaiB et KaiC, l'éprouvette a également contenu un grand nombre de trois plus petites molécules, les monomères appelés, qui sont les briques de base pour les protéines de bioclock. KaiC est un hexamer qui se compose de six monomères. KaiA est un dimère qui se compose de deux monomères. Et KaiB est un tétramère qui se compose de quatre monomères. Pendant que les trois protéines combinent dans des composés et se brisent de nouveau, KaiC divise également à part en monomères et recombine alors.

Tandis que ceci fournissait une analyse neuve précieuse dans le procédé, il n'a pas expliqué ce qui continuait réellement. Pour aider à déchiffrer la dynamique de ce système, ils se sont tournés vers Byrne. « La tâche que j'étais donné par Karl était de figurer à l'extérieur comment ce système de trois protéines, une fois combiné avec l'ATP, peut produire une vibration de 24 heures, » dit le biomathematician. « Ce qui nous ? le VE germent avec est notre ? la meilleure estimation ? modèle pour la façon dont le système fonctionne. »

Selon Byrne ? s modélisent, la clavette au système ? la stabilité de s est le rôle joué par l'échange des monomères par des hexamers de KaiC. « Le cycle de 24 heures est la variation du niveau moyen de phosphorylation des hexamers. Pour produire a supporté des rythmes dans le système, vous devez avoir une certaine voie de synchroniser les niveaux de phosphorylation de différents hexamers, » il dit. Le fait que les hexamers mélangent des monomères considérablement à une cadence rapide que le procédé de la phosphorylation et de la dephosphorylation maintient des niveaux de phosphorylation régulièrement distribués dans toute la population de KaiC. « Si la population devient asynchrone ? c'est-à-dire, si le phosphorylate de quelques hexamers et dephosphorylate hors de la synchronisation avec les autres ? alors les hexamers commenceront à osciller hors de la phase les uns avec les autres et vous détruirez le rythme. »

Le modèle explique avec succès pourquoi une proportion spécifique des trois protéines est nécessaire pour déterminer le rythme de 24 heures, comment la température peut remettre à l'état initial le système et les caractéristiques générales du système de bioclock. Cependant, il y a beaucoup plus à apprendre.

« Cet article est notre première étape vers concevoir ce qui se produit pendant le cycle de 24 heures, » dit Stewart. « Le prochain niveau de la compréhension sera comment les protéines fonctionnent ensemble comme nanomachine pour mener à bien leur fonction. »

Puis, aussi, les chercheurs réalisent que la manière dont les systèmes de bioclock fonctionnent en cellules vivantes est essentiellement plus complexe que ce qui a lieu dans une éprouvette. Pour une chose, il y aura les niveaux complémentaires du règlement, tels que le contrôle de la synthèse des monomères de protéine de bioclock, qui influencent leur fonctionnement.